[发明专利]一种随机共振增强的声矢量信号定向方法

说明书

本发明提供了一种随机共振增强的声矢量信号定向方法，可以实现幅度线性增益的适用于定向中的矢量声信号降噪处理，能够解决低信噪比情况下矢量声定向误差大的问题，具有良好的定向效果。本发明主要应用于低信噪比环境下对水下弱目标的定向，并对实际中的矢量声信号相位不一致具有良好的抗性，是一种稳健的单矢量水听器定向方法。

技术领域

本发明涉及信号处理领域，尤其是一种矢量信号的方位估计方法。

背景技术

我国是一个海洋大国，进入新世纪以来我国面临来自海洋方向的安全威胁日益增多，特别是来自于敌对方水下潜艇等的威胁，对潜艇的探测和方向估计是关乎海防安全的重要技术。随着世界各军事大国对隐身技术的大力发展，潜艇等水下设备的辐射噪声在较高频段大为降低，基本接近海洋环境噪声级别，对潜艇的探测及定位等日益困难。为了对潜艇等水下弱目标进行有效探测以及定位等，低频/甚低频信号越来越成为主要的目标信号。但是传统的声压水听器不具有指向性，需要采用阵列方式进行定向，而低频/甚低频信号的波长太长，导致水听器阵列尺寸过大，不利于实际中使用。矢量水听器因为能够同时采集声场中的标量信息和矢量信息而不受频率限制，使用单个矢量水听器便可以实现目标的定向，是具有应用潜力及研究价值的新技术。

但是海洋环境噪声的分布具有低频特性，同时在目标声源距离水听器较远、目标声源级和信噪比较低的情况下，矢量水听器采集到信号后降噪起着至关重要的作用，但是目前仍缺乏有效降噪的方法，导致使用单个矢量水听器对远距离处的弱目标进行目标方位估计时误差较大，不能满足使用需求。因此需要研究适用于单矢量水听器信号降噪的方法。

从单矢量水听器定向基本原理出发，经过理论分析发现，在单矢量水听器定向中常用的平均声强流等方法在矢量声信号降噪处理中，需要满足一定的条件才不会对定向精度产生恶性影响，即降噪处理需要满足在降噪处理前后保持声压信号和各路振速信号被等比例增益，同时保持处理前后相位不发生变化或者产生相同的变化。而目前各种降噪的方法以滤除噪声为基本理念，在滤除噪声的同时不可避免的将信号幅度等信息改变，从而改变甚至丢失方向信息，不能用于矢量定向中进行信号降噪处理。随机共振是近年来出现的一种新技术，其利用非线性系统、信号和噪声达到一种匹配状态时将噪声能量向信号能量转移的新理念，能够极大的增强信号。但是传统双稳态随机共振系统具有幅度增益非线性问题以及相位变化问题，会对矢量声信号携带的方位信息造成篡改甚至丢失，影响定向准确性。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种利用分段双稳态随机共振对单矢量水听器信号增强的方位估计方法，在保留甚至增强了经典随机共振优秀的降噪能力基础上，使其能够对不同幅度的信号进行等比例增益，同时提供了一种相位问题解决方法，能够在随机共振降噪后产生不确定相移的情况下和矢量水听器通道存在相位误差的情况下，实现弱目标的稳健、高精度定向。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤1：采集目标声源矢量声信号：p(t)，v_x(t)，v_y(t)，其中p(t)为声压通道信号，v_x(t)，v_y(t)分别为正交的振速通道信号；

步骤2：分段双稳态随机共振系统处理

使用式(1)所示一阶分段双稳态随机共振系统处理矢量声信号：

其中，x为系统输出，t为时间，表示接受到的矢量水听器各通道信号，A₀为输入信号的幅度，f₀为输入信号的频率，为初始相位，ξ(t)表示高斯白噪声，D为背景噪声强度，U_p(x)为系统势函数，表达式为：

其中，a、b为系统参数，是大于零的实数，

步骤3：设定系统参数搜索范围和初始值